野外瞬变电磁法探测采集参数优化分析

黄 丹，杨 峰，谭 强，李 成

(西北核技术研究所，陕西 西安 710024)

野外瞬变电磁法探测采集参数优化分析

黄 丹，杨 峰，谭 强，李 成

(西北核技术研究所，陕西 西安 710024)

瞬变电磁数据的野外采集中参数设置的不同会影响到数据的质量，本文从线框大小、电流、频率、叠加次数四个参数入手，分析了接触带、花岗岩和第四系地层中不同参数所采集瞬变电磁数据的信噪比，通过对比研究，得到了不同地质条件下的瞬变电磁数据采集的最优参数，并进行了实验验证。结果表明，通过参数优化，极大提高了接触带、花岗岩和第四系地层区域瞬变电磁法野外工作的数据质量，为实际工程应用提供有效的参考依据。

瞬变电磁法；信噪比；优化参数

0 引言

瞬变电磁法(简称TEM)是一种观测纯二次场的地球物理探测方法[1]，自20世纪70年代～80年代开始被引入中国以来[2]，该法以探测深度大, 分辩能力高, 受体积效应小及工效高、成本低等优点, 在寻找油气田、煤田、深部有色金属矿、地热田、地下水及地质构造等方面取得了良好的地质效果[3]。在瞬变电磁法的数据采集阶段往往会受到各种干扰因素的影响，导致数据质量下降。野外数据采集的参数设置事关数据信号的质量和生产工作效率，在不同的地质条件下，不同参数的瞬变电磁野外数据采集，会产生不同质量的有效数据，从而影响到最终结果的解译。为了保证探测成果的有效性，需要提高所采集数据的质量和信噪比[4]。为此，需要首先根据已知的地质资料，分析探测场地地层的构造和电性特征，并选取合适的参数进行瞬变电磁数据采集，通过对不同条件下所得数据的对比分析和研究，得到特定地质条件下数据质量最佳的瞬变电磁探测方法和优化参数，从而提高数据的信噪比，为工程的实际应用提供有效技术支持。

1 TEM信噪比定义及统计方法

信噪比一般定义为有效信号与噪声的振幅比或能量比，它是衡量数据质量好坏的一个重要指标，数据的信噪比越高，数据质量越好，处理结果就越可信。信噪比的计算公式一般定义为[5]：

SNR=20*log10(S/N)

(1)

式中：N为背景噪声；S为正常采集的有效信号。

但目前对于TEM数据信噪比的定义与计算方法没有统一定论,本文利用电动势对数据的信噪比进行了量化计算。TEM数据响应曲线是一条随时间变化的衰减曲线，每个时间道所反映的只是不同深度的响应[6]，而整条完整曲线反映的才是地层的电性变化特征，因此数据信噪比的量化需要对每一时间道进行计算。

由于TEM野外数据噪声无明显规律，且为离散型，进行统计分析后发现其数量级在10-2nV/m2到10-3nV/m2之间[7]。针对这种情况，本文对TEM数据的原始噪声进行多项式拟合，最终近似所得的拟合曲线即为噪声曲线(如图1所示)。

图1 噪声拟合曲线

本文将相同采集参数所得到的有效数据衰减曲线与噪声曲线的比值定义为信噪比曲线，因此，信噪比曲线并不是每个测点曲线的一个信噪比值，而是一条反映每个测点不同时间道信噪比情况的曲线。

2 采集参数优化分析

瞬变电磁法数据响应特征不仅与地层参数有关，还与发射线圈、发射电流、频率和叠加次数等参数有关[8]。瞬变电磁法采集参数不同，其受干扰的影响程度不同，因此需要根据不同的探测目标选择合理的工作参数，这不仅能提高数据质量，有效完成勘探任务，还可以提高实际探测的工作效率[9]。

本文主要对接触带、花岗岩和第四系地层开展了瞬变电磁法探测研究，通过改变发射线圈、发射电流、频率和叠加次数等参数，得到各地层中的多组不同数据，并对其进行了信噪比量化计算及对比分析研究。

2.1 发射线框的选择

图2为接触带、花岗岩和第四系地层中不同发射线框的信噪比曲线，背景噪声取噪声拟合曲线(下同)。采集参数为：发射电流为12 A，发射频率为25 Hz，发射框边长分别为100 m、150 m、200 m。

由上图可以看出,在不同的地层中，发射框200 m×200 m的数据信噪比明显较高。由此可知，发射框边长从100 m增加到150 m和200 m时，信噪比曲线有所变化，随着发射面积的增大，信噪比值也增大。

在花岗岩地区中晚期数据信噪比提高的幅度较大，表明在高阻地区，由于涡流响应较弱，更需要使用较大回线的边框提高有效信号的激励。由此可知，在噪声水平不变的条件下，通过增加发射框面积可以增加瞬变响应值，提高信噪比，获得更加可靠的晚期数据信号。

2.2 工作电流的设置

图3为接触带、花岗岩和第四系地层中不同发射电流的信噪比曲线，采集参数为：发射框边长为200 m，发射频率为25 Hz，发射电流分别为11.3 A和17.6 A。

由上图可以看出，瞬变电磁响应的数据信噪比曲线随发射电流的增大而增大。根据信噪比统

图2 不同发射线框信噪比曲线

计结果，当发射电流分别为11.3 A和17.6 A时，早期信噪比较接近，但在中晚期17.6 A的信噪比提高较为明显。因此，增大发射电流提高了整条衰减曲线的信噪比，瞬变电磁响应中晚期的数据信噪比提高，使得中晚期数据更加可靠。

图3 不同地质环境下不同发射电流信噪比曲线

发射电流的大小一方面决定一次场信号的强弱，另一方面能够压制测区干扰。为了提高信噪比需要适当的增大电流，但增大电流有时候会受地形条件制约，而且发射机的负荷有限，所以发射电流并不是越大越好，一般控制在17 A～18 A左右就基本满足需要。

2.3 发射频率的选择

图4为接触带、花岗岩和第四系地层中不同发射频率的信噪比曲线，采集参数为：发射框边长为200 m，发射电流为17.6 A，发射频率分别为1.25 Hz、2.5 Hz、5 Hz、8.33 Hz和25 Hz。

图4 不同地质环境下不同发射频率信噪比曲线

由上图可以看出，发射频率为25 Hz和5 Hz 的信噪比较高。当发射频率较高时，采集的初始时窗较早，结束的时窗也较早，适合浅层探测。反之当频率较低时，适合深层探测[6]。当发射频率为25 Hz时，采集的初始时窗较早，浅层的分辨率较高。当发射频率为5Hz时，无法采集到早期数据，不利于浅层勘探。实际工作中可以根据实际地质情况和需求，选择不同的发射频率组合，以提高目标体的分辨率。

2.4 叠加次数和重复观测次数的选择

通过在接触带、花岗岩和第四系三种地层进行的叠加次数和重复观测次数实验，结果表明三种地层中结果基本一致，如图5和图6分别为其中一种地层不同叠加次数和重复观测次数下的瞬变电磁响应曲线，采集参数为：发射框边长为200 m，发射频率为25 Hz，发射电流为17.6 A 电流，通过改变叠加次数和多次重复观测次数来进行瞬变电磁响应的对比试验。

从图5可以看出，当叠加216次时，晚期的数据跳点较多，曲线不光滑。当增大叠加次数时，瞬变电磁响应曲线晚期道的跳点减少，晚期道数据更加可靠，有效增加了可用的晚期道数据，提高了地层深部地层信息的解译能力。当叠加次数增加到1024 次后，曲线明显变得光滑，噪声得到了有效的压制，提高了信噪比。所以叠加次数为1024次的数据质量较高。

图5 不同叠加次数的瞬变电磁响应曲线

图6 不同重复观测次数的瞬变电磁响应曲线

野外数据的重复采集次数，对噪声压制也有一定的效果。图6为叠加1024次时，不同重复观测次数得到的数据。可以看出，重复观测次数为10次时，曲线晚期道数据跳点较多，数据质量较差，重复观测次数为20次时，曲线晚期道数据跳点明显减少，数据质量得到了一定的改善，当重复观测次数变为30次时，曲线晚期道数据跳点再次变多，数据质量较差。经过分析研究，重复观测次数并不是越多越好，一般设置在20次，即可保证数据质量，又可提高工作效率。

2.5 优化参数的应用

根据上述发射线框大小、频率、电流、叠加次数和重复观测次数的数据信噪比对比实验结果，选取了一组优化参数应用到接触带的野外数据采集中。其中发射线框边长为200 m，发射基频为25 Hz，发射电流为17 A，叠加1024 次，重复观测20次。从图7中可以看出，采用优化参数后，整条瞬变电磁响应曲线变得较为光滑，晚期道没有明显的跳点，信号的质量较高。说明采用的优化参数是有效的，压制了干扰噪声，提高了数据的质量。

图7 接触带环境下采取最优参数的瞬变电磁响应曲线

3 结论

在瞬变电磁法探测工作中，野外仪器数据采集主要考虑发射线框边长、工作电流和发射频率等因素。通过现场试验和分析研究结果表明，瞬变电磁法在接触带、花岗岩和第四系三种地层中有较好的探测应用效果，在此类区域进行野外数据采集时，发射线框越大数据信噪比越高，受仪器所限，边长一般选取200 m左右；当探测目标层为浅部时，发射频率选择25Hz数据信噪比较高，探测目标层较深时，发射频率选择5Hz数据信噪比较高；发射电流的增大可有效压制部分干扰，但发射电流过大会使一次场变强，且增大地形条件的影响，当发射电流为17A左右时，数据信噪比最高；叠加次数和重复观测次数的增加可以有效提高数据信噪比，但当叠加次数为1024次以上、重复观测次数为20次以上时，数据的信噪比变化较小，在保证数据质量的前提下，为提高工作效率最佳叠加次数一般设置为1024次，重复观测次数设置为20次。在瞬变电磁野外数据采集中，采用最优化采集参数可在接触带、花岗岩和第四系三种地层中取得高质量的数据，为后期的数据处理和解译奠定基础，并提供有效的参考依据。

[1] 刘江.复杂地形瞬变电磁法应用技术研究[J].陕西煤炭,2009,(6),17-19.

[2] 刘桂芹.简述瞬变电磁法(TEM)的研究现状、进展与问题[J].物探化探计算技术,2007, 29(增刊):108-110.

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[4] 谭嘉言,高敬语,张斌强,等.干扰环境下提高瞬变电磁数据采集信噪比的试验[J].物探与化探,2013,37(4):720-722.

[5] 李继光.低信噪比地震资料处理技术研究[D].青岛:中国海洋大学,2003.

[6] 武军杰,王兴春,邓晓红,等.瞬变电磁数据采集抗干扰措施评价方法[J].物探与化探,2012,36(增刊):40-44.

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[9] 周楠楠,薛国强,苏艳萍.大回线源瞬变电磁接收装置的改进[J].物探与化探,2012,36(1):89.

Analysing and optimizing the acquisition parameter of the field data in TEM

HUANG Dan，YANG Fei，TAN Qiang，LI Cheng

(NorthwestInstituteofNuclearTechnology，Xi’an，710024，China)

The field data of TEM is often affected by different types of noise, this paper studied the SNR of the field data of TEM at the granite, quaternary and the contact aureolefrom frame size, current, frequency and number of superposition.Through the contrast research,the optimal acquisition parameters under the different geological conditions were obtained, and was verified by experiments.The result showed that the SNR of the field data of TEM at the granite, quaternary and the contact aureole was improved greatly through parameter optimization,providing effective technical support and reference for practical engineering application.

Transient Electromagnetic Method；SNR；parameter optimization

2015-01-04

黄丹(1987-)，女，湖北黄冈人，硕士，西北核技术研究所助理工程师，主要从事地面瞬变电磁法和地震数据处理方面的工程应用及科研工作。E-mail：tanqiang1988@126.com

P631

A

1672-7169(2016)01-0075-06